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Introducción

El impacto que produce la posibilidad de utilizar la energía solar en forma controlada y para nuestros propios fines ha permitido el desarrollo de sistemas completos de transformación, almacenamiento y distribución de esta energía según nos convenga. La producción de electricidad a partir de la radiación solar mediante células solares y paneles fotovoltaicos es una aplicación que aún no se difunde en su totalidad.

La energía eléctrica no está presente en la naturaleza como fuente de energía primaria y, en consecuencia, sólo podemos disponer de ella mediante la transformación de alguna otra forma de energía. Es por eso que han surgido todo tipo de plantas generadoras de energía a partir de combustibles fósiles, sin embargo, se ha notado que esta forma de generación produce mucha contaminación y devastación de los recursos naturales con los que cuenta nuestro país. Las llamadas "energías alternativas" son aquellas cuyo uso no genera contaminación y entre ellas podemos citar la energía eólica o la energía solar. La generación de este tipo de energía para generar energía eléctrica no produce contaminantes, en especial la energía solar, y es por eso que últimamente ha tomado mucha importancia debido al mal estado en el que se encuentra nuestro ecosistema.

El hombre ha aprendido recientemente a transformar la energía solar en eléctrica mediante diferentes procedimientos. Algunos de ellos, los llamados heliotérmicos o fototérmicos, operan sobre principios semejantes a los de las centrales térmicas y nucleares convencionales y por otro lado se encuentran los llamados fotovoltaicos, los cuales significan una importante simplificación respecto a los procesos energéticos convencionales. Las células o celdas fotovoltaicas son dispositivos capaces de transformar la radiación solar en electricidad; son dispositivos estáticos, es decir, carecen de partes móviles.

Conversión de luz solar en electricidad

La conversión directa de la energía solar en electricidad, depende del efecto fotoeléctrico que ya había sido descubierto en diversas formas en el siglo pasado. El efecto fotoeléctrico, es la emisión de electrones de una superficie sólida (o líquida) cuando se irradia con emanaciones electromagnéticas. Debemos señalar que hay dos tipos de efectos fotoeléctricos en las células solares. El primero es el interno, donde ciertos portadores de carga se ven liberados dentro del seno de un material mediante la absorción de fotones energéticos. En el caso del efecto fotoeléctrico externo, se emiten electrones libres mediante la absorción de fotones energéticos.
El efecto fotoeléctrico, es el agente principal del funcionamiento de los dispositivos conocidos como células solares.

La Célula Fotovoltáica

Partiendo de una oblea de Si (disco muy delgado) se produce una célula solar una vez que se ha creado el campo eléctrico interno y después de preparar los contactos eléctricos adecuados. El campo eléctrico debe ser superficial para que la radiación solar llegue fácilmente hasta él.

Los contactos eléctricos que se hacen en ambas caras de la oblea son de geometría y características especiales. La cara que no recibe la radiación se recubre totalmente, mientras que la cara expuesta a los rayos solares sólo se cubre parcialmente mediante un electrodo metálico en forma de red. Esto permite que el electrodo recoja en forma eficiente los portadores de carga eléctrica generados en el interior de la oblea.

Debido a que una célula solar genera corrientes y voltajes pequeños, éstas no son los elementos que se utilizan en las aplicaciones prácticas, sino que, con objeto de lograr potencias mayores, se acoplan en serie o en paralelo para obtener mayores voltajes y corrientes formando lo que se denomina módulo fotovoltaico, que es el elemento que se comercializa. A la vez, estos módulos se conectan en serie o en paralelo para obtener los voltajes y corrientes que nos den la potencia deseada.

Los módulos en serie aumentan el voltaje y conservan la misma corriente, mientras que módulos en paralelo aumentan la corriente, conservando el mismo voltaje.

El proceso de fabricación de las células solares de silicio lo podemos dividir en tres grandes etapas:

a) Obtención del Si de alta pureza. Este se obtiene a partir del óxido de silicio, SiO2, básicamente cuarzo, cuya abundancia en la naturaleza elimina problemas de abastecimiento. Este tiene que ser de alta pureza, semejante al semiconductor que se utiliza en la industria electrónica. Actualmente se está trabajando con silicio de menor pureza, pero útil para la fabricación de células solares y a un menor costo.

b) Obtención de obleas. Utilizando como materia prima polvo de silicio de alta pureza se hace crecer el monocristal hasta obtener una pieza cilíndrica de diámetro variable entre 2 y 20 cm y longitud de alrededor de 1 m. El crecimiento del monocristal sirve para purificar el material y para la creación de una estructura perfecta, gracias a la cual la futura oblea gozará de propiedades semiconductoras.
La barra de silicio se corta mediante sierras especiales produciendo obleas de espesor aproximado de 300 µm. En esta etapa hay una pérdida de material de aproximadamente el 60%. Actualmente existen otras formas más eficientes de cortado de la barra.

c) Procesamiento de la oblea. Para obtener finalmente la célula solar, la oblea sufre un procesamiento que consiste de los siguientes pasos: lapeado y pulido, formación de unión p-n, decapado y limpieza, capa antireflejante, fotoligrafía para formación de contactos, material para soldadura de electrodos, limpieza del decapante y comprobación de las características de la celda. La formación de la unión p- n es la etapa más crítica de todo el proceso de fabricación, debido a que el buen funcionamiento de la célula solar depende en gran medida de una buena unión p-n. Por otro lado, una adecuada capa antirreflejante también es necesaria, ya que una superficie de Si bien pulida puede llegar a reflejar hasta el 34% de la radiación de onda larga y un 54% si la radiación es de onda corta.

Luz solar y celdas

Se debe estimar la disponibilidad de luz del sol en el sitio de instalación del sistema. Es imposible predecir las condi-ciones solares para un día específico, pero los registros meteorológicos que cubran un período de varios años proporcionarán suficientes datos para diseñar la mayoría de los sistemas fotovoltaicos independientes. La insolación total sobre una superficie inclinada es el dato más interesante para los sistemas fotovoltaicos de inclinación fija.
Muy pocas veces se cuenta con datos de insolación para la instalación de sis-temas fotovoltaicos independientes. La insolación en un área remota puede que no sea similar a la de la ciudad más cercana. Las condiciones solares locales pueden variar en forma significativa de lugar a lugar, particularmente en áreas montañosas. Si no se dispone de datos para un lugar específico, se debe estudiar la variación de los datos promedios de varias ciudades localizadas alrededor del sitio propuesto para el sistema. Use los datos del Apéndice A para preparar los contornos de insolación, o para establecer la información metereológica mensual basándose en los datos de diferentes ciudades. El cálculo aproximado del recurso solar influye directamente el rendimiento y el costo de los sistemas fotovoltaicos independientes.

Insolación

Anteriormente se usó la palabra insolación pero ¿ qué es ?:
Insolación es la cantidad de energía solar que recibe un área determinada durante un período de tiempo dado. Se mide en kilowatt-horas por metro cuadrado. También se usan mediciones en BIUs por pie cuadrado por hora. Los factores de conversión son:

kWh/m2 = L * 85,93 = 316,96 Btu/pie2hora

=3,6MJ/m2

La atmósfera terrestre recibe una cantidad casi constante de energía solar radiante equivalente a 1,37 kilowatts por metro cuadrado. Este es el valor que se obtiene al integrar el área en la parte inferior del gráfico de la figura 1. Ahí se muestra el espectro de radiación extraterrestre junto al espectro de radiación conocido como "masa de aire 1" (MA-l). Este valor indica el efecto que sufre la radiación al atravesar el espesor de 1 atmósfera. Es evidente que la atmósfera tiene una gran capacidad de absorción y reduce la energía solar que llega a la tierra, particularmente en ciertas longitudes de onda.

Los datos de insolación se presentan frecuentemente como valores de promedio diario para cada mes. La irradiancia máxima es la disponible al mediodía solar de cualquier día dado, no importa cual sea la estación. El mediodía solar se define como la hora cuando el sol llega a su apogeo durante su trayectoria a través del firmamento. El término "horas de sol máximo" se define como el número equivalente de horas diarias en que la irradiancia solar alcanza un promedio de l.OOO WIm2. Seis horas de sol máximo significa que la energía recibida durante el conteo total de horas con sol en el día es igual a la energía recibida si el sol hubiera brillado durante seis horas a 1.000 W/ metro cuadrado. Las horas de sol máximo corresponden directamente a la insolación y las tablas incluidas en el Apéndice A se pueden leer de cualquiera de las dos maneras.

En el suroeste de los Estados Unidos, la irradiancia solar a nivel del suelo normalmente excede el valor de 1.000 WIm2. En algunas regiones montañosas, se han registrado lecturas de hasta 1.200 WIm2. Los valores medios son menores para la mayoría de las otras regiones, pero se pueden recibir valores instantáneos máximos de hasta 1.500 WIm2 durante los días en que haya reflexión de nubes blancas. Estos niveles tan altos raramente duran más de algunos segundos. La insolación varia con las estaciones debido al cambio de posición de la tierra con respecto al sol. El efecto de esta variación se puede reducir a un mínimo al establecer el ángulo de inclinación del conjunto fotovoltaico con un valor igual al ángulo de latitud. Los ángulos del sol pueden calcularse para cualquier localización y fecha específica. La figura 2 muestra la trayectoria diaria del sol para un lugar del hemisferio norte. Esta trayectoria representa el ángulo relativo del sol con respecto a una superficie horizontal para una latitud de 40 grados en el hemisferio norte.

Los datos de insolación de uso común se midieron sobre superficies horizontales. Recientemente, se han tomado y registrado medidas de insolación sobre superficies inclinadas.

Rendimiento del proceso fotovoltaico

El rendimiento de operación de una célula solar se define como el cociente entre la energía eléctrica producida y la energía solar interceptada por su superficie. Cuando se optimiza la carga que la célula debe alimentar el rendimiento es máximo.

Existen ciertos factores que influyen en mayor o menor medida en el rendimiento de una célula solar. Estos pueden ser de origen interno o externo como características del material, espesor de la oblea, superficie activa, geometría de los contactos, etc.

También pueden ser factores ambientales como temperatura de operación y composición espectral de la radiación.

Tipos de baterías o pilas

Existen muchos tipos de baterías. En las baterías para sistemas fotovoltaicos independientes, comúnmente se usan los siguientes términos: baterías de ciclo profundo, ciclo poco profundo, electrólito gelatinado, cautivo o líquido y hermética o abierta. La batería hermética en realidad es regulada por una válvula que permite la salida del hidrógeno, pero no la adición de electrólito, En la batería abierta se asume que se agregará agua destilada al electrólito líquido como sea necesario. Todas las baterías requieren un mantenimiento periódico para poder tener una larga vida útil.

Los tipos de baterías que se usan comúnmente en los sistemas fotovoltaicos independientes pertenecen a la familia de baterías de cromo-ácido. Estas baterías se pueden obtener con electrólito líquido o cautivo. Son recargables, fáciles de mantener, relativamente económicas, y obtenibles en una variedad de tamaños y opciones. Debido a que el plomo es un metal blando, frecuentemente se agregan otros elementos, como antimonio o calcio, para reforzar las placas y cambiar las características de la batería. La batería de plomo-antimonio que se usa más a menudo en sistemas fotovoltaicos independientes, es la de tipo abierto, porque requiere un alto consumo de agua. Las baterías de plomo-calcio se pueden usar cuando no se anticipan descargas profundas. Su costo inicial es menor, pero tienen una vida útil más corta que la de las baterías de plomo-antimonio.

Ya se pueden adquirir comercialmente baterías de níquel-cadmio diseñadas específicamente para aplicaciones fotovoltaicas. Su costo inicial es más alto que el de las baterías de plomo-ácido pero, en ciertas aplicaciones, su costo por ciclo de vida útil puede resultar más bajo. Las ventajas de las baterías de níquel-cadmio incluyen una larga vida, bajos requisitos de mantenimiento, durabilidad y capacidad de soportar condiciones extremas. Además, las baterías de níquel-cadmio son más tolerantes a ciclos extremos de recarga y descarga.

Aplicaciones

Desde un punto de vista histórico, el motivo de la construcción de las celdas fotovoltaicas fueron los satélites artificiales; las ventajas encontradas en este tipo de generadores fueron: peso reducido, larga vida, ocupación de espacio mínima y nivel de insolación elevado y continuo por estar fuera de la atmósfera terrestre.

Pero, mas allá de las aplicaciones espaciales, los sistemas fotovoltaicos tienen las siguientes aplicaciones:

a) Electrificación rural y de viviendas aisladas. Existen muchas zonas rurales y viviendas aisladas donde llevar energía eléctrica por medio de la red general sería demasiado costoso y por lo tanto no cuentan con este servicio. En este caso, la instalación de un generador fotovoltaico es ampliamente rentable.

b) Comunicaciones. Los generadores fotovoltaicos son una excelente solución cuando hay necesidad de transmitir cualquier tipo de señal o información desde un lugar aislado, por ejemplo, reemisores de señales de TV, plataformas de telemetría, radioenlaces, estaciones meteorológicas.

c) Ayudas a la navegación. Aquí la aplicación puede ser relativa a la navegación misma o a sus señalizaciones, como alimentar eléctricamente faros, boyas, balizas, plataformas y embarcaciones.

d) Transporte terrestre. Iluminación de cruces de carretera peligrosos y túneles largos. Alimentación de radioteléfonos de emergencia o puestos de socorro lejos de líneas eléctricas. Señalizaciones de pasos a desnivel o cambio de vías en los ferrocarriles.

e) Agricultura y ganadería. Se está teniendo una atención muy espacial en estos sectores. Mediante generadores fotovoltaicos podemos obtener la energía eléctrica necesaria para granjas que conviene que estén aisladas de la zonas urbanas por motivos de higiene. Sin embargo, la aplicación más importante y de futuro es el bombeo de agua para riego y alimentación de ganado que normalmente se encuentra en zonas no pobladas. Otras aplicaciones pueden ser la vigilancia forestal para prevención de incendios.

f) Aplicaciones en la industria. Una de las principales aplicaciones en este campo es la obtención de metales como cobre, aluminio y plata, por electrólisis y la fabricación de acumuladores electroquímicos.

g) Difusión de la cultura. Televisión escolar para zonas aisladas. Difusión de información mediante medios audiovisuales alimentados eléctricamente mediante generadores fotovoltaicos.